Videnskab
 science >> Videnskab >  >> Astronomi

Astronomer skaber skyatlas for varme, Jupiter-lignende exoplaneter

Forudsagte skyhøjder og sammensætninger for en række temperaturer, der er almindelige på varme Jupiter-planeter. Rækkevidden, i Kelvin, svarer til omkring 800-3, 500 grader Fahrenheit, eller 427-1, 927 grader Celsius. Kredit:UC Berkeley billede af Peter Gao

Kæmpeplaneter i vores solsystem og kredsende andre stjerner har eksotiske skyer, der ikke ligner noget på Jorden, og gasgiganterne, der kredser tæt på deres stjerner – såkaldte varme Jupiters – kan prale af det mest ekstreme.

Et hold af astronomer fra USA, Canada og Storbritannien er nu kommet med en model, der forudsiger, hvilken af ​​de mange typer foreslåede skyer, fra safir til smoggy metan tåge, at forvente på varme Jupiters med forskellige temperaturer, op til tusindvis af grader Kelvin.

Overraskende nok, den mest almindelige type sky, forventes over et stort temperaturområde, bør bestå af flydende eller faste dråber af silicium og oxygen, som smeltet kvarts eller smeltet sand. På køligere varme Jupiters, under omkring 950 Kelvin (1, 250 grader Fahrenheit), himlen er domineret af en kulbrintedis, i det væsentlige smog.

Modellen vil hjælpe astronomer med at studere gasserne i atmosfæren i disse mærkelige og fjerne verdener, da skyer forstyrrer målinger af den atmosfæriske sammensætning. Det kunne også hjælpe planetforskere med at forstå atmosfæren af ​​køligere gigantiske planeter og deres måner, såsom Jupiter og Saturns måne Titan i vores eget solsystem.

"Den slags skyer, der kan eksistere i disse varme atmosfærer, er ting, som vi ikke rigtig tænker på som skyer i solsystemet, " sagde Peter Gao, en postdoc ved University of California, Berkeley, som er førsteforfatter til et papir, der beskriver modellen, der udkom 25. maj i tidsskriftet Natur astronomi . "Der har været modeller, der forudsiger forskellige sammensætninger, men meningen med denne undersøgelse var at vurdere, hvilke af disse sammensætninger, der faktisk betyder noget og sammenligne modellen med de tilgængelige data, vi har."

Undersøgelsen udnytter et boom i løbet af det seneste årti i undersøgelsen af ​​exoplanetatmosfærer. Selvom exoplaneter er for fjerne og svage til at være synlige, mange teleskoper - især, Hubble-rumteleskopet – er i stand til at fokusere på stjerner og fange stjernelys, der passerer gennem planeternes atmosfærer, når de passerer foran deres stjerner. Bølgelængderne af lys, der absorberes, afsløret ved spektroskopiske målinger, fortælle astronomerne, hvilke grundstoffer der udgør atmosfæren. Til dato, denne teknik og andre har fundet eller udledt tilstedeværelsen af ​​vand, metan, kulilte og kuldioxid, kalium- og natriumgasser og, i den varmeste af planeterne, fordampet aluminiumoxid, jern og titanium.

Men mens nogle planeter ser ud til at have klare atmosfærer og klare spektroskopiske træk, mange har skyer, der fuldstændig blokerer stjernelyset, der filtrerer igennem, forhindre undersøgelse af gasser under de øvre skylag. Gassernes sammensætning kan fortælle astronomerne, hvordan exoplaneter dannes, og om livets byggesten er til stede omkring andre stjerner.

"Vi har fundet en masse skyer:nogle slags partikler - ikke molekyler, men små dråber – der hænger ud i disse atmosfærer, " sagde Gao. "Vi ved ikke rigtig, hvad de er lavet af, men de forurener vores observationer, i det væsentlige gør det sværere for os at vurdere sammensætningen og mængden af ​​vigtige molekyler, som vand og metan."

Ruby skyer

For at forklare disse observationer, astronomer har foreslået mange mærkelige typer skyer, sammensat af aluminiumoxider, såsom korund, ting af rubiner og safirer; smeltet salt, såsom kaliumchlorid; siliciumoxider, eller silikater, som kvarts, hovedbestanddelen af ​​sand; sulfider af mangan eller zink, der eksisterer som klipper på Jorden; og organiske kulbrinteforbindelser. Skyerne kan være flydende eller faste aerosoler, sagde Gao.

Gao tilpassede computermodeller, der oprindeligt blev skabt til Jordens vandskyer og efterfølgende udvidet til de overskyede atmosfærer på planeter som Jupiter, som har ammoniak- og metanskyer. Han udvidede modellen endnu mere til de meget højere temperaturer set på varme gasgigantiske planeter - op til 2, 800 Kelvin, eller 4, 600 grader Fahrenheit (2, 500 grader Celsius) - og de elementer, der sandsynligvis vil kondensere til skyer ved disse temperaturer.

Modellen tager højde for, hvordan gasser fra forskellige atomer eller molekyler kondenserer til dråber, hvordan disse dråber vokser eller fordamper, og om det er sandsynligt, at de transporteres i atmosfæren af ​​vind eller opstrømning, eller synke på grund af tyngdekraften.

"Ideen er, at de samme fysiske principper styrer dannelsen af ​​alle typer skyer, " sagde Gao, som også har modelleret svovlsyreskyer på Venus. "Det, jeg har gjort, er at tage denne model og bringe den ud til resten af ​​galaksen, gør det i stand til at simulere silikatskyer og jernskyer og saltskyer."

Han sammenlignede derefter sine forudsigelser med tilgængelige data om 30 exoplaneter ud af i alt omkring 70 transiterende exoplaneter med registrerede transmissionsspektre til dato.

Modellen afslørede, at mange af de eksotiske skyer, der er foreslået gennem årene, er svære at danne, fordi den energi, der kræves for at kondensere gasserne, er for høj. Silikatskyer kondenserer let, imidlertid, og dominerer over en 1, 200-graders Kelvin temperaturområde:fra omkring 900 til 2, 000 Kelvin. Det er et interval på omkring 2, 000 grader Fahrenheit.

Ifølge modellen, i de varmeste atmosfærer, aluminiumoxider og titaniumoxider kondenserer til skyer på højt niveau. I exoplaneter med køligere atmosfærer, disse skyer dannes dybere i planeten og skjules af højere silikatskyer. På endnu køligere exoplaneter, disse silikatskyer dannes også dybere i atmosfæren, efterlader klare øvre atmosfærer. Ved endnu køligere temperaturer, ultraviolet lys fra exoplanetens stjerne omdanner organiske molekyler som metan til ekstremt lange kulbrintekæder, der danner en tåge på højt niveau, der ligner smog. Denne smog kan skjule lavereliggende saltskyer af kalium eller natriumchlorid.

For de astronomer, der søger en skyfri planet for lettere at studere gasserne i atmosfæren, Gao foreslog at fokusere på planeter mellem omkring 900 og 1, 400 Kelvin, eller dem, der er varmere end omkring 2, 200 Kelvin.

"Tilstedeværelsen af ​​skyer er blevet målt i en række exoplanetatmosfærer før, men det er, når vi samlet ser på en stor prøve, at vi kan adskille fysikken og kemien i atmosfæren i disse verdener, " sagde medforfatter Hannah Wakeford, en astrofysiker ved University of Bristol i Storbritannien "Den dominerende skyart er lige så almindelig som sand - det er i det væsentlige sand - og det bliver virkelig spændende at kunne måle spektralsignaturerne af selve skyerne for første gang med kommende James Webb Space Telescope (JWST)."

Fremtidige observationer, såsom dem fra NASA's JWST, planlagt til lancering inden for et par år, skulle kunne bekræfte disse forudsigelser og måske kaste lys over de skjulte skylag af planeter tættere på hjemmet. Gao sagde, at lignende eksotiske skyer kan eksistere i dybder i Jupiter eller Saturn, hvor temperaturerne er tæt på dem, der findes på varme Jupiters.

"Fordi der er tusindvis af exoplaneter mod kun en Jupiter, vi kan studere en masse af dem og se, hvad gennemsnittet er, og hvordan det sammenlignes med Jupiter, " sagde Gao.

Han og hans kolleger planlægger at teste modellen mod observationsdata fra andre exoplaneter og også fra brune dværge, som dybest set er gasgigantiske planeter, så massive, at de næsten er stjerner. De, også, har skyer.

"Ved at studere planetariske atmosfærer i solsystemet, vi har typisk billedernes kontekst. Vi har ikke sådan held med exoplaneter. De er bare prikker eller skygger, " sagde Jonathan Fortney fra UC Santa Cruz. "Det er et stort tab af information. Men det, vi skal kompensere for, er en meget større stikprøvestørrelse. Og det giver os mulighed for at lede efter trends – her, en tendens i overskyethed - med planetarisk temperatur, noget, som vi bare ikke har luksusen af ​​i vores solsystem."


Varme artikler